[发明专利]一种连续浓度梯度铝钛掺杂四氧化三钴及其制备方法和应用

说明书

本发明属于锂离子电池正极材料技术领域，公开了一种连续浓度梯度铝钛掺杂四氧化三钴，铝元素的掺入总量为4000～8000ppm，钛元素的掺总量为2000～4000ppm，且铝元素和钛元素的掺杂量均从内向外呈连续浓度梯度增加。本发明还公开了一种上述连续浓度梯度铝钛掺杂四氧化三钴的制备方法和应用。本发明的连续浓度梯度铝钛掺杂四氧化三钴具有较高的振实密度，浓度梯度掺杂兼具掺杂与包覆于一体，进而增强了材料表面和晶界的稳定性，使得将本发明的四氧化三钴烧制成钴酸锂后，在高电压下仍然具有高比容量和优秀的循环性能；此外本发明的制备方法的工艺简单，便于大规模生产。

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料技术领域，具体涉及一种连续浓度梯度铝钛掺杂四氧化三钴及其制备方法和应用。

背景技术

四氧化三钴是钴酸锂的主要原材料，主要应用于3C电子产品领域。在当前使用中钴酸锂存在的问题主要是理论电压至少为4.2V，理论比容量为260hA/kg，但目前实际的平均电压只有3.6V，最高也未达到4.0V，实际比容量为130hA/kg，且实际比容量随循环次数增加而下降。为了在更小的空间释放出更高的能量，钴酸锂正朝着4.5V～4.6V高电压的方向发展，这是因为高电压下能将更多的锂离子从晶体结构中脱出来，目前可以通过掺杂的方式提高材料在高电压充放电时的结构稳定性，铝、钛为最常见的掺杂元素。

但是均匀掺杂的四氧化三钴所制备得到的LiCoO₂材料结构虽然在一定程度上增加了稳定性，但是会导致电池容量的降低。

发明内容

有鉴于此，为了解决目前在进行均匀掺杂四氧化三钴的制备过程中，制备得到的四氧化三钴烧成钴酸锂之后，电池电化学循环稳定性有所增加，但是其电池容量相应的有所降低的问题，提供一种连续浓度梯度铝钛掺杂四氧化三钴；

本发明的另一目的是提供一种上述的连续浓度梯度铝钛掺杂四氧化三钴的制备方法。

本发明的又一目的是提供一种上述的连续浓度梯度铝钛掺杂四氧化三钴在锂离子电池正极材料方面的应用。

一种连续浓度梯度铝钛掺杂四氧化三钴，铝元素的掺入总量为4000ppm～8000ppm，钛元素的掺总量为2000～4000ppm，且铝元素的掺杂量从内向外呈连续浓度梯度增加，钛元素的掺杂量从内向外呈连续浓度梯度增加。

优选的，铝元素的掺入总量为5000ppm～6000ppm，钛元素的掺总量为2500～3500ppm，且铝元素的掺杂量从内向外呈连续浓度梯度增加，钛元素的掺杂量从内向外呈连续浓度梯度增加。

本发明还提供一种连续浓度梯度铝钛掺杂四氧化三钴的制备方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、配制钴盐溶液和含有碳酸根离子的沉淀剂溶液，待用；

步骤2、配置含有铝盐和纳米二氧化钛的混合溶液，记为富铝钛混合溶液，待用；

步骤3、将步骤2的富铝钛混合溶液注入到空白水溶液中，形成铝离子、钛锂离子浓度不断增大的贫铝钛混合溶液；

在将富铝钛混合溶液注入到空白水溶液中，形成铝离子、钛锂离子浓度不断增大的贫铝钛混合溶液的同时，将钴盐溶液、沉淀剂溶液和贫铝钛混合溶液以并流的方式加入存有底液的反应釜内，进行共沉淀反应，得到连续浓度梯度铝钛掺杂的碳酸钴；

步骤4、对步骤3得到的连续浓度梯度铝钛掺杂的碳酸钴进行煅烧，得到连续浓度梯度铝钛掺杂的四氧化三钴。

优选的，步骤1中，钴盐溶液中钴离子的浓度为1.5～2.5mol/L，沉淀剂溶液为碳酸氢铵溶液或碳酸铵溶液，碳酸氢铵溶液或碳酸铵溶液的浓度均为1～3mol/L；步骤2中，富铝钛混合溶液中铝离子的浓度为0.1～0.5mol/L，富铝钛混合溶液中纳米二氧化钛的浓度为0.05～0.25mol/L。